班加星

摘 要：簡要敘述有關(guān)鈣鈦礦的物化性質(zhì)，以及鈣鈦礦在地表的常見成因及產(chǎn)狀。了解鈣鈦礦獨(dú)特的八面體晶型結(jié)構(gòu)，及共頂橋氧連接方式，明確這種結(jié)構(gòu)的離子可替換性。簡要介紹在離子可替換性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的材料優(yōu)化原理及應(yīng)用，具體敘述有關(guān)太陽能電池板的應(yīng)用及原理。最后進(jìn)行簡要的概括總結(jié)，提出自己的研究想法。

關(guān)鍵詞：鈣鈦礦 鈣鈦礦型材料 八面體晶型 共頂橋氧連接 離子替換 材料優(yōu)化

一、鈣鈦礦概述

1.鈣鈦礦的化學(xué)組成

主要成分是CaTiO3，氧化鈣的含量為41.24%，二氧化鈦的含量為58.76%，類質(zhì)同

象混入元素可有Na，K，Ce，F(xiàn)e，Nb，Ta，Nd，La等。

2.鈣鈦礦的成因

地表上的鈣鈦礦的形成主要原因有三種，分別是：第一，在地幔附近的鈣鈦礦隨著火山的噴發(fā)運(yùn)動(dòng)，跟隨巖漿被一起噴出地表。第二，在巖漿噴出的過程中，由于本身巖漿熱液的高溫，使得地表附近的黃長石發(fā)生相變，最終形成鈣鈦礦。第三，由于隕石的撞擊，在高壓之下使地表的巖石發(fā)生相變，進(jìn)而也形成鈣鈦礦。

3.鈣鈦礦的單晶胞結(jié)構(gòu)

其中Ca2+占據(jù)晶胞的八個(gè)角頂，Ti4+占據(jù)的是晶胞的體心，O2-占據(jù)的是六個(gè)面的中心，O2-和半徑較大Ca2+形成面心立方最密堆積結(jié)構(gòu)，Ti4+填充在位于體心的八面體間隙中。

在離子共用及分配比例上看，在一個(gè)晶胞中平均有一個(gè)Ca2+，一個(gè)Ti4+，和三個(gè)O2-。因此，鈣鈦礦的晶體結(jié)構(gòu)通常簡化成“113”式結(jié)構(gòu)。

4.鈣鈦礦晶胞間的組合方式及特點(diǎn)

晶胞與晶胞之間是相互平行重復(fù)排列的，八面體與八面體之間角頂與角頂相互連接，上下整齊的羅列在一起。

八個(gè)鈣鈦礦小晶胞，并且每一個(gè)小晶體之間都是以橋氧連接的，形成三維結(jié)構(gòu)框架，根據(jù)泡利的配多面體連接規(guī)則，這種結(jié)構(gòu)比共棱、共面連接穩(wěn)定。同時(shí)，共頂連接使八面體之間的空隙比共棱、共面連接時(shí)要大得多，允許較大尺寸的粒子填入，即使產(chǎn)生大量的晶體缺陷時(shí)，仍然能保持結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)排列的方式，方便每個(gè)角上的離子的替換，化學(xué)性質(zhì)優(yōu)化更加容易。

二、鈣鈦礦型太陽能電池

1.鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)材料

在鈣鈦礦八面體結(jié)構(gòu)的影響之下，一系列的ABX3型結(jié)構(gòu)的分子材料應(yīng)運(yùn)而生。它們被統(tǒng)一叫做鈣鈦礦型材料，是一種半導(dǎo)體，我們得出在凝固態(tài)物理理論研究層面上，鈣鈦礦它既不含Ca，也不含Ti，同時(shí)也不是礦石，它們所指的鈣鈦礦型材料是具有ABX3結(jié)構(gòu)形式的物質(zhì)，這種物質(zhì)通常用來制作光伏電池等材料。

2. 鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化方式

對于ABX3型結(jié)構(gòu)的分子，我們可以對其每個(gè)位置進(jìn)行離子或離子團(tuán)級(jí)別的替換，并以此來實(shí)現(xiàn)分子性能的改變。尋找到合適的太陽能電池材料也是通過這種方法實(shí)現(xiàn)的。

3.鈣鈦礦型材料的最初優(yōu)化

在1978年Weber和Naturforsch首先報(bào)道了有機(jī)金屬鹵化物ABX3（在相應(yīng)的ABX3結(jié)構(gòu)位置對應(yīng)中，A為CH3NH3有機(jī)離子團(tuán)，B為Pb或Sn，X為Cl，Br或I）甲基銨首次在鹵化物鈣鈦礦中出現(xiàn)，而且通常為立方鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)。有機(jī)金屬鹵化物CH3NH3MX3通常是作為一種半導(dǎo)體染料。

4.鈣鈦礦型材料作為太陽能電池板的相關(guān)優(yōu)點(diǎn)

這種優(yōu)化過的材料原子核對于核外電子的束縛能量不是很強(qiáng)，因此，這種鈣鈦礦型半導(dǎo)體染料在受到太陽能的照射時(shí)，核外電子很容易擺脫原子核的束縛形成電流。這樣產(chǎn)生的激子只有約0.03電子伏的束縛能，在常溫下很容易形成自由電子與空穴。因此，正好滿足鈣鈦礦型太陽能電池的供能需要，正是由于很容易形成空穴與電子，才更容易傳輸電流。

三、總結(jié)與展望

鈣鈦礦有很多作為寶玉石的優(yōu)良的物理性質(zhì)，并且也有很簡單的化學(xué)組成，物質(zhì)組成先對來講比較均一，產(chǎn)狀很特殊，一般可以在火成巖中找到，在地表不是很常見，一般都在地幔附近，在地表的成因也很廣泛，一般是變質(zhì)生成的。

它的結(jié)構(gòu)也很特殊，具有八面體共頂以橋氧連接式結(jié)構(gòu)，相對來講比較穩(wěn)定，中間空隙很大，方便其他離子的填充，也正是由于它的這個(gè)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，才更加方便其化學(xué)性質(zhì)的改變。

對于由此結(jié)構(gòu)引申出的鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)而言，正是具備了共頂連接式結(jié)構(gòu)才方便其他礦質(zhì)或有機(jī)質(zhì)離子的替換，才方便于物化性質(zhì)的改變，鈣鈦礦型太陽能電池板就是根據(jù)這一特點(diǎn)制造出的。

對于以后的工作，我們可以加大對不同位置有機(jī)離子的替換，來發(fā)現(xiàn)具有更多更新奇物化性質(zhì)的離子，應(yīng)用到我們的生產(chǎn)生活當(dāng)中去，這樣我們也能更好的發(fā)覺這種結(jié)構(gòu)的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 董恩來、張麗娜等.鈣鈦礦太陽能電池的效率和穩(wěn)定性研究.人工晶體學(xué)報(bào).2017.5

[2] 王琛.鈣鈦礦太陽能電池的發(fā)展與工作原理.科技論壇.

[3] Yaming Yu， Peng Gao. Development of electron and hole selective contact materials for perovskite solar cells. Chinese Chemical Letters. 2017.04

[4] 劉娜、危陽等.鈣鈦礦APbI3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及光學(xué)性質(zhì)的理論研究.物理學(xué)報(bào)2016.7.29

[5] Lin-Lin， TU Yong-Guang. Truxene-based Hole-transporting Materials for Perovskite Solar Cells. 結(jié)構(gòu)化學(xué).2016.10

[6] 羅納德·路易斯·勃尼威茲.寶石圣典.電子工業(yè)出版社.2015.4

[7] 郭旭達(dá)，牛廣達(dá)等.高效率鈣鈦礦型太陽能電池的化學(xué)穩(wěn)定性及其研究進(jìn)展.化學(xué)學(xué)報(bào).

[8] 姚欣，丁艷麗等.鈣鈦礦太陽電池綜述.物理學(xué)報(bào)2014，12

[9] 張曉婷.鈣鈦礦太陽能電池的研究進(jìn)展.科技風(fēng)

[10] Bella F， Griffini G， Correa-Baena J P. Improving Efficiency and Stability of Perovskite Solar Cells with Photocurable Fluoropolymers. Science. 2016

[11] 北京大學(xué)地質(zhì)學(xué)系巖礦教研室. 光性礦物學(xué).地質(zhì)出版社1998.10